——访市科委重大专项课题团队负责人任忠鸣教授
本报记者：吴沁 殷黎娟 李世君 来源：上海大学校报
上海大学承担的“高温合金叶片制造技术研究”项目对提高我国重型燃机热端核心部件的研发和制造能力有重要意义。该项研究突破了一直以来制约我国燃气轮机发展的主要瓶颈之一，为上海市高端制造业的创新发展，填补我国大型地面重型燃气轮机关键技术国产化的空白提供了基础。
金秋将至，喜讯频传。9月12日，在上海大学校本部艺术中心二楼召开的上海市科委重大专项课题“高温合金叶片制造技术研究”验收会，向世界展示了我国科学技术高速发展的最新成果——上海大学任忠鸣团队攻克了大型高温合金空心叶片定向凝固、陶瓷型芯等关键技术，成功研制出F级重型燃机的定向凝固空心叶片。由徐匡迪、顾秉林、蒋洪德、丁传贤、柳百成、陈小津等院士和专家组成的专家组认为，“上海大学承担的‘高温合金叶片制造技术研究’项目，对提高我国重型燃机热端核心部件的研发和制造能力有重要意义。”该项研究突破了一直以来制约我国燃气轮机发展的主要瓶颈之一，为上海市高端制造业的创新发展，填补我国大型地面重型燃气轮机关键技术国产化的空白提供了基础。为此，本报记者日前赴材料学院，采访了团队负责人任忠鸣教授。
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精挑人才 力争资源
燃气轮机是包括大飞机、特种船舶、新一代主战坦克、民用发电等领域的主要动力源之一。而高温合金叶片是航空发动机和地面燃气轮机等的核心主承力部件，处于高应力、高温（最高可达1600℃）、高压气流的环境中；需要具有高强度、高韧性、抗腐蚀、抗疲劳和抗冲击的优良性能，其形状复杂、质量要求高、制造难度大。该项技术长期由发达国家掌握并严加保密拒绝转让，正是我国急需攻克的重大难题之一。为解决这个问题，推动上海市高端制造业的创新发展，在韩正市长的关心下，2008年上海市科委设立重大研究专项课题，由上海大学联合中科院金属研究所、硅酸盐研究所、上海电气集团公司等组成产学研协作体，针对当前国际上最先进的F级256MW重型燃气轮机涡轮高温叶片开展技术研究和攻关。
为期三年的紧迫任务就这样落在了上海大学科研团队的肩上。所谓万事开头难，人员组成是首先要解决的问题。由于该项研究不同于一般的基础性原理研究，更多地涉及到工程技术研究，即生产出产品以解决实际问题，仅靠原课题组的几位人员不可能完成这样复杂而庞大的工程，需要更多高水平工程技术人员。针对这个问题，任教授说：“高校培养的大都是理论基础人才，所以我们就向社会招聘一些有经验的铸造工程技术人才，发挥有经验的退休老教师的作用，这样可以帮我们少走很多弯路；同时，我们也招收部分青年实验员，让年轻的科技人员有机会加入我们的团队工作，这也有助于他们在实践中进一步学习、积累经验。”同时，团队迅速展开了具有针对性的准备方案。“一方面要尽快建立生产线。我们积极展开调研，对当中一些常规的设备很快进行了采购建设；另一方面就是学习。目前国内在该领域最有经验的就是中科院金属研究所，为了能获得研究所专家的技术支持，团队成员们在沈阳租了房子，直接去金属研究所‘蹲点’学习。这样，从2009年6月出发一直持续到当年年底学习归来，订购的设备刚好也陆续到齐了。”准备的历程不乏波折，但正是在团队创建人员紧锣密鼓而又周详细致的组织建设工作下，项目团队拥有了到位的设备支持和过硬的技术支持，研究正式步入了正轨。
攻克难题 精益求精
关于燃气轮机的工作原理，简单来说，就是通过燃料燃烧产生高温气体，推动涡轮叶片的转动，从而带动其它设备的运转。“每一块高温合金叶片，就相当于一个站在火中的消防战士，首先是叶片自身要强壮，没有缺陷，其次要穿上防护衣，那么合金叶片就要在外表面涂上耐高温材料，第三是内部要通入冷却空气，使其降温。但这样一来就导致叶片内部结构十分复杂，给铸造带来了很大挑战。”任教授用简明的比喻告诉记者叶片的简单工作原理。
具体来说，高温合金叶片的成功研制主要需攻克两大难题：一是叶片内陶瓷芯的综合性能，二是控制晶体生长缺陷。目前在国际上，无论是企业还是科研机构，这两大难题都是制造涡轮高温叶片所必须跨越的难关。就陶瓷芯来说，该制造工艺要求其在模具中浇注合金液体时能耐得住1600℃左右的高温，而在合金液体冷却后又能方便取出，即是说要使其“高温时硬，低温时软”。这与大多数物质的常态相反，看似是一个相互矛盾的性能，但通过团队专家们的苦心研究和技术改良，这一奇妙的性能得以实现。“陶瓷材料的原料是陶瓷粉。要做成陶瓷芯，颗粒的大小、辅助材料的加入、加工成型等每个方面都会影响最终陶瓷芯是否能达到要求。”面对我们疑惑的眼神，任教授又形象地说道：“陶瓷粉相当于面粉，陶瓷芯相当于馒头，面粉颗粒大小、佐料的添加以及面和水的比例不同，蒸出来的馒头也会不一样，有的好吃有的不好吃。目前我们通过这几年的研究，基本掌握了陶瓷芯的一些规律性的东西，已经能制造出符合定向叶片要求的陶瓷芯。”科研的每一小步的改变都可能影响最终效果，而且每一小步都需要亲力而为之、倾力而为之。
就叶片制造的另一难题：金属晶体凝固生长来说，合金叶片复杂奇特的形状，造成金属晶体生长过程中状态的改变，往往导致晶界、杂晶等缺陷。另一方面，铸造出的叶片要求不经加工直接使用，只能一次性生长成功，因此控制生长过程就尤为重要。由于国内没有精密铸造定向凝固叶片的高真空大型装备，任忠鸣团队迎难而上，与锦州东方冶金设备有限公司合作，联合攻关，最终研制出国内最大的真空定向凝固炉，满足了项目的需要。通过积极有效的工作，在较短的时间内基本建成大型叶片精密铸造定向凝固设备生产线，为开展项目研究奠定了设备基础。他们随后在定向凝固中杂晶等缺陷的生成规律方面开展了深入研究，通过大量实验和计算，掌握其规律，进而提出改善凝固条件的方法，最终取得成功。、
新的突破 新的未来
以涡轮高温叶片与制造技术为核心的现代燃气轮机的热效率已超过40%，是一种高效、清洁的动力设备。目前，上海大学高温叶片研究中心已为新一代特种车辆用轻型燃气轮机试生产了三台份（套）高温涡轮叶片，用于试机和试车。同时还为国内精铸企业试生产了多种燃气轮机高温涡轮动力叶片、导向叶片等关键部件。通过上述工作，上海大学及其高温叶片研究中心也在国内航空、燃机、精铸行业逐渐建立起知名度和学术影响，并与航空、汽车、铁路、电气等业界多家精铸企业建立起技术开发、产品试制、小规模生产的产学研合作关系。一些大型民营企业也看好其前景，希望与之洽谈成立合资的研发和生产实体事宜。
谈到未来发展方向，任忠鸣教授表示，上海大学高温叶片研究中心今后将首先在定向凝固高温叶片的工艺优化和稳定性方面开展更扎实的工作，完成工艺规范、标准的制定和设备系列集成。同时，在F级燃气轮机涡轮一级单晶叶片制造、陶瓷型芯材料和制作工艺、高温合金的精炼和定向凝固技术、表面涂层材料和工艺等领域展开基础研究和技术攻关，并加强与业内精铸企业的合作，解决生产中的实际问题，建设上海市燃气轮机热端部件制造工程技术中心。
三年来，研究团队经历无数次的失败又无数次重来，终于攻克了涡轮高温叶片与制造技术中的两大难题，打破了发达国家的技术垄断。取得这一成果背后所付出的艰辛，也许只有团队成员们才能体会得到。而在采访过程中，任教授始终语速平缓又面色沉静、大气不乏谦和。采访的最后，当被问及研究过程中的感想时，任教授释然一笑：“科研几乎都是枯燥的事，在实验没成功之前都是枯燥、乏味的，有时是非常烦恼的。只有当真正成功时才最开心。”寥寥几句，袒露了一位科学工作者的真挚情感和孜孜以求的科研精神。在任忠鸣教授带领下的上海大学科研团队，正是以这样朴实的情怀，通过艰苦卓绝的稳抓实干，才能在研究领域迎难而上、勇攀高峰。
后记
本文得到了受访者材料学院任忠鸣教授的悉心指点，任教授于百忙之中对文章所涉及的专业知识予以了认真详尽的讲解，特此表示感谢。
相关链接：任忠鸣团队与国际合作
任忠鸣团队积极开展国际合作，取得丰硕成果。自2005年起，先后启动了与法国格勒诺布尔理工学院/法国科学研究院的EPM/MADYLAM实验室、德国德累斯顿科学研究中心、法国贝尔福理工学院的合作。法国EPM/MADYLAM实验室在国际上磁流体力学及其在材料中应用的领域享有盛誉，是材料电磁加工领域的创始单位之一，由磁流体力学权威、法国科学院院士Morao教授和著名学者Fautrelle教授领衔。与外方先后共同承担了由两国政府资助的项目2项，上海市和对方政府联合资助的项目2项，共同指导博士生4名，中方青年教师访问学者2名，短期工作2人次，对方研究生和高年级本科生来华短期实习2人次。国际合作收效丰硕，双方合作发表论文近40篇，其中11篇发表在一区刊物Acta Materialia上，5次受邀在重大和重要国际会议上作大会主旨演讲或主题报告。这些研究工作受到凝固领域的高度关注，Kurz教授和Trivedi教授等权威在他们10年一次的综述中，将我们的工作作为10年来的重要进展加以评述。培养的博士中1人获得上海市优秀博士论文奖励，1人聘为东方学者。团队的研究能力和影响力因国际合作而大大增强，已跻身世界前列。
